Rapporto sulla progettazione delle procedure di remote handling per il Target assembly di IFMIF

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1 Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l energia e lo sviluppo economico sostenibile RICERCA DI SISTEMA ELETTRICO Rapporto sulla progettazione delle procedure di remote handling per il Target assembly di IFMIF Gioacchino Miccichè Report RdS/2012/264

2 RAPPORTO SULLA PROGETTAZIONE DELLE PROCEDURE DI REMOTE HANDLING PER IL TARGET ASSEMBLY DI IFMIF Gioacchino Miccichè (ENEA) Settembre 2012 Report Ricerca di Sistema Elettrico Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico - ENEA Area: Governo, gestione e sviluppo del sistema elettrico nazionale Progetto: Fusione nucleare: attività di fisica e tecnologia della fusione complementari a ITER Responsabile del Progetto: Aldo Pizzuto, ENEA

3 Indice Sommario Introduzione Il Target assembly di IFMIF Principali operazioni di manutenzione del TA di IFMIF Procedure per la manutenzione remotizzata del target di IFMIF Strategia adottata Procedura per la sostituzione del TA Procedura per il ricondizionamento del TA Tempi d intervento per la sostituzione del TA Tempi d intervento per il ricondizionamento del TA Conclusioni...16 Riferimenti bibliografici...16 Abbreviazioni ed acronimi

4 ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA Sommario Il Target Assembly (TA) di IFMIF è il componente più esposto all alto flusso neutronico prodotto dalla reazione D + - Li ed è quindi soggetto ad un elevato tasso di danneggiamento neutronico (50 dpa/anno). Pertanto tale componente richiede una manutenzione/sostituzione periodica che al momento attuale è stimata avere una frequenza annuale ma non è escluso che su alcuni dei suoi componenti si debba intervenire con una maggiore frequenza. Il TA è installato all interno della Test Cell (TC), che è la regione di IFMIF con la più alta dose di radiazioni gamma, e tutte le operazioni di manutenzione da eseguire sul TA o sui suoi componenti devono essere eseguite da remoto. Due tipi di manutenzione sono previste in IFMIF: la manutenzione preventiva che si effettua annualmente; la manutenzione correttiva che viene fatta all occorrenza di un guasto che non consente all impianto di continuare le normali operazioni, anche se con prestazioni ridotte, in sicurezza. Punto focale del progetto delle procedure di manutenzione è la durata della stessa. Infatti l impianto IFMIF è progettato per avere un disponibilità d impianto del 70% (7860 ore/anno) e per soddisfare tale requisito è necessario che l intero periodo di manutenzione non superi i 20 gg. Le operazione del solo Target assembly invece devono essere completate in non più di 7 gg. La complessità di esecuzione di tali operazioni è tale che le procedure da utilizzare devono essere attentamente studiate insieme alle strategie da impiegare nei vari scenari per la loro integrazione con le procedure e strategie degli altri componenti che devono essere mantenuti. Le procedure di manutenzione nei due scenari previsti per IFMIF insieme ai tempi d intervento previsti per ciascuna operazione sono illustrati nel rapporto. I risultati delle simulazione, delle stime dei tempi d intervento e dei risultati sperimentali ottenuti in passato permettono di asserire che è possibile completare le operazioni di sostituzione e ricondizionamento del TA di IFMIF entro un tempo massimo di una settimana.

5 1. Introduzione L International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF) è un impianto che sarà utilizzato per il test e la qualifica dei materiali strutturali dei futuri reattori a Fusione nucleare. Si tratta di un acceleratore lineare di deutoni che produce un altissimo ed energetico flusso neutronico generato dalla reazione D + - Li. Il target assembly (TA) a Litio disponibile in IFMIF è quindi il generatore di neutroni. Nel ambito di tale progetto l ENEA ha la responsabilità della progettazione Ingegneristica del TA di tale impianto. Essa comprende anche la progettazione dei cicli di manutenzione remotizzata a cui tale componente viene sottoposto con cadenza periodica. La manutenzione di tale componente richiede la disponibilità di dispositivi robotici appositamente progettati e di procedure, che passano attraverso diversi stadi di ottimizzazione, aventi i seguenti obiettivi principali: eseguire le operazioni di manutenzione in modo sicuro ed eseguirle entro un tempo limite che garantisca la disponibilità d impianto. Attualmente si stanno sviluppando due concetti di TA: Il concetto Europeo conosciuto come target a Baionetta[1] ed il target Integrale[2] (IT- Integral Target) sviluppato dai Giapponesi del JAEA ( Japan Atomic Energy Agency). I due Target perfettamente identici dal punto di vista funzionale differiscono soprattutto dal punto di vista della manutenzione. Infatti l IT è interamente saldato ed è connesso con la restante parte dell impianto a litio per mezzo di flange anch esse saldate. Tale approccio oltre ad essere costoso in termini di dispositivi robotici da impiegare presenta ancora diversi problemi relativi alla risaldabilità delle flange oltre all eventuale inquinamento dell ambiente in cui tale operazione viene eseguita a causa dei residui prodotti durante il taglio. Il TA Europeo è stato sviluppato con gli obiettivi di semplificare le operazioni di manutenzione e di ridurre il materiale attivato da smaltire. In questo rapporto è presentato solamente il TA Europeo. Il lavoro svolto riguarda lo sviluppo delle procedure di manutenzione remotizzata del TA Europeo nei due casi previsti della sua sostituzione o del suo ricondizionamento. 2. Il Target assembly di IFMIF Il concetto di TA Europeo è stato sviluppato interamente in ENEA ed è illustrato in Fig. 1. Conosciuto come Target a baionetta, tale nome gli è stato attribuito per via del bersaglio ( Backplate) che viene installato e rimosso come un sistema a Baionetta. Tubo ingresso Camera TA Ugello Fast Disconnecting system Condotto del beam Sistema di Posizionamento Systema a Pattino Bersaglio Supporto Fig. 1 Concetto di TA a Baionetta 5

6 ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA Il concetto di TA a baionetta è stato sviluppato con l obiettivo principale di semplificare e velocizzare le operazioni di manutenzione. Infatti a causa della sua esposizione all alto flusso neutronico esso è soggetto ad un danneggiamento neutronico che arriva fino a valori di dpa/fpy e quindi deve essere sottoposto a periodiche operazioni di sostituzione o di ricondizionamento. A tal fine tutte le connessioni tra il TA e l impianto a litio sono state realizzate per mezzo di sistemi a connessione rapida (Fast disconnecting system- FDS[3], vedi fig. 2) mentre il bersaglio è facilmente rimpiazzabile. Quest ultimo punto consente, sotto certe condizioni, che venga risparmiata una considerevole quantità di materiale attivato da smaltire. Infatti il bersaglio ha un peso di circa 160 Kg mentre il TA pesa circa 1 ton. Fig. 2 Fast Disconnecting System (FDS) Il TA, interamente realizzato in acciaio a bassa attivazione (EUROFER), è costituito dall ugello, che immette il flusso di lito nel canale del bersaglio che porta il Footprint, dal bersaglio stesso, dalla tubazione di uscita, e dal corpo del Target. Il bersaglio rimovibile è stato progettato in modo tale da rendere possibile la sua sostituzione in modo rapido ed efficiente. Esso è illustrato in Fig. 3. In tale concetto il bersaglio viene installato dall alto della test cell (TC) inserendolo nel relativo telaio d interfaccia del corpo del Target. Per sigillare la camera del corpo del TA ( la camera del TA è a diretto contattao con l acceleratore e pertanto occorre garantire il grado di vuoto previsto per il suo funzionamento) il bersaglio è provvisto di una guanizione metallica della Helicoflex (HNV200 low deta data). La forza di compressione necessaria per il funzionamento ottimo della guarnizione viene fornita da un sistema a pattino che scorrendo su di una camma trasferisce la forza necessaria alla guarnizione che sigilla il bordo della camera. I pattini sono posizionati nelle due parti laterali del bersaglio gli altri due lati sono chiusi per mezzo di bulloni. Nell attuale configurazione la forza di compressione richiesta dalla guarnizione è di circa 24 ton a cui corrisponde una coppia applicata alle viti di manovra dei pattini di circa 33 Nm e sui bulloni di circa 30 Nm. La guarnizione è stata integrata nel bersaglio in modo che essa venga sostitutita ad ogni rimozione del Bersaglio. Inoltre per garantire il distacco del bersaglio dal telaio ( fenomeni di incollamento bersaglio-telaio sono possibili a causa del litio che filtra tra le due superfici in contatto) sono state inserite quatto viti su fori ciechi ai quattro spigoli del bersaglio.

7 Direzione inserimento bersaglio Viti di manovra Pattini Viti di chiusura Barsaglio Guarnizione Viti di distacco Camma Pattino Telaio di supporto Fig. 3 Bersaglio a Baionetta e dettaglio dei sistemi a pattino 3. Principali operazioni di manutenzione del TA di IFMIF Vi sono due sole alternative per la manutenzione del target assembly: sostituirlo o ricondizionarlo. La sostituzione del TA comporta la rimozione del componente e l installazione di uno nuovo completo di isolamento termico, diagnostica, sistemi di rilevamento fuga litio e guarnizioni. Il ricondizionamento comporta invece la sostituzione di alcune sue parti e la re-installazione del target cosi ricondizionato. Le principali operazioni di manutenzione per ricondizionamento del TA sono: 1) Sostituzione del bersaglio completo di guarnizione e sistema di rilevamento fuga litio; 2) Controllo dello stato dell ugello 3) Controllo del sistema di riscaldamento target 4) Verifica dei sistemi di connessione rapida per le giunzioni flangiate 5) Sostituzione delle guarnizioni sulle flange e dei sistemi di rilevamento fuga litio 6) Verifica dello stato della diagnostica ed eventuale sostituzione 7) Collaudo del TA prima dello start impianto. Alcune di tali operazioni possono essere fatte online all interno della TC di IFMIF, come la sostituzione del bersaglio, mentre altre possono essere eseguite solamente in celle appositamente progettate per questo tipo di operazioni ( celle calde). Per questo motivo l attività di manutenzione deve essere pianificata 7

8 ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA attraverso una strategia di manutenzione che permetta di completare tutte queste attività ed entro un tempo certo e definito. Nel seguito del rapporto viene descrittala strategia di manutenzione adottata. 3.1 Procedure per la manutenzione remotizzata del target di IFMIF In IFMIF sono previste due tipologie di manutenzione: la manutenzione preventiva che viene effettuata annualmente e quella correttiva che viene eseguita nel caso di guasto ad uno o più sistemi. IFMIF prevede anche la possibilità di funzionamento a regime ridotto e per cui la manutenzione correttiva viene eseguita solamente a seguito di guasto a componenti che pregiudicano la sicurezza e/o funzionamento in modo non sostenibile. 3.2 Strategia adottata Attualmente il valore di riferimento del tempo di vita del Target di IFMIF è di 11 mesi. Questo tempo di vita del Target è in linea con il valore atteso per la disponibilità di IFMIF che è del 70%. Tra gli elementi limitanti il tempo di vita di tale componente vi sono il bersaglio e l ugello. Il bersaglio, come si è già detto, perché è l elemento più esposto al flusso neutronico mentre l ugello perché il suo danneggiamento, causato dall erosione indotto dal litio, porta ad instabilità del flusso di litio. Il problema nasce quindi quando occorre eseguire la manutenzione dei componenti del TA e della sua durata. Il valore di riferimento per l esecuzione delle operazioni di manutenzione di tutti i componenti è di 20 gg di cui 7 gg sono dedicati alla manutenzione del TA (Fig. 4). I venti giorni sono misurati tra lo stato di beam off ( quando si spegne l accelaratore) e di beam on. Prima di poter partire con la manutenzione del TA occorre completare alcune operazioni preliminari come il drenaggio del loop a lito e l apertura della Test cell. Fig. 4 Schema di flusso della manutenzione dell impianto IFMIF Queste due ultime operazioni di Li Loop Shut down e Ready for maintenance richiedono diversi giorni di attività anche se ancora non definitivamente confermati. La manutenzione del TA è rappresentata dal box Manutenzione che, come già detto, e qualunque sia l approccio da utilizzare, deve avere una durata di 7 giorni.

9 L attuale strategia di manutenzione remotizzata prevede di sostituire il Target assembly con uno nuovo o precedentemente ricondizionato, nel caso della manutenzione preventiva, e di sostituire il solo bersaglio nel caso di manutenzione correttiva. Per la manutenzione correttiva si fa normalmente riferimento al bersaglio perché il tempo di vita di questo componente potrebbe essere molto limita mentre ogni altro guasto occorso ad uno dei componenti del Target richiede la rimozione dell intero Target e per cui si ricadrebbe nel caso precedente della manutenzione preventiva. Per la manutenzione preventiva la strategia di manutenzione prevede: 1) La disponibilità di un target nuovo completamente strumentato e pronto per l installazione,o 2) La disponibilità di un target ricondizionato (provvisto di un nuovo bersaglio, di un nuovo sistema di riscaldamento e di fuga litio, completamente ripulito dal litio etc) 3) Il drenaggio dell impianto completato e la TC di IFMIF aperta 4) La rimozione dei moduli al alto flusso High Flux Test Module- HFTM) e medio flusso (Medium Flux Test Module-MFTM). La fig. 5 mostra l ambiente della TC all inizio delle operazioni di manutenzione. Target asssembly Test Cell Fig. 5 vista dall alto della test cell e della posizione del TA Per quella correttiva, facendo riferimento al solo bersaglio, lo scenario è simile ed il vantaggio è quello di rimuovere solamente una ridotta quantità di materiale attivato. Inoltre per velocizzare le operazioni di rimozione del bersaglio si sta verificando la possibilità di eseguire la sua sostituzione senza rimuovere il modulo MFTM- Fig. 6. Questo approccio consente di ridurre il tempo totale di manutenzione poiché la rimozione dell MFTM richiede comunque un tempo che non è trascurabile. Tuttavia per questo secondo scenario della manutenzione correttiva occorre verificare la fattibilità di tutte le operazioni necessarie. Infatti visto lo spazio disponibile tra il bersaglio e la superficie del modulo MFTM particolare attenzione deve essere posta all operazione di pulizia per rimuovere i depositi di litio dal telaio di supporto del bersaglio stesso (vedi Fig. 7). Comunque i risultati fin qui ottenuti durante le simulazioni permettono di asserire che questa strategia non può essere abbandonata. 9

10 ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA Fig. 6 Rimozione bersaglio con MFTM in posizione Fig. 7 Simulazione operazione di pulizia con MFTM in posizione.

11 Di seguito vengono presentate le procedure di manutenzione nei due casi di sostituzione del TA e di sostituzione del solo bersaglio. 3.3 Procedura per la sostituzione del TA La procedura per la sostituzione del TA prevede che esso sia l ultimo componente ad essere rimosso dalla TC e sia il primo ad essere installato. La procedura di dettaglio è riportata in tabella 1. precondizioni: Tabella 1 procedura di sostituzione TA TA Removal Beam off completato Bypass del Li loop attivato Tutte le operazioni di aperture della TC: completata HFTM and MFTM rimosse dalla TC Un nuovo target pronto per l installazione Il braccio robotico è connesso con il Braccio master del sistema di manipolazione Tutti dispositivi robotici sono disponibili nella camera di accesso della TC Operazione Le camere temporanee vengono installate all interno della TC dispositivi Rimozione dei connettori di Potenza e segnale + interfaccia per connettori I tre FDS sono disconnessi in turno Il sistema di distacco flange viene manovrato fino al completo distacco delle flange Il soffietto lato beam viene compattato per liberare la flangia del corpo del TA Il TA viene sollevato e fino alla camera di accesso della TC Il TA viene portato nella Test Module Handling Cell ( TMHC) Installazione TA + sistema di avvitamento + sistema di avvitamento + sistema di avvitamento Carroponte + Braccio telescopico + braccio robotico Controllo dello stato dei supporti del TA + telecamera Pulizia delle tre flange + dispositivo di pulizia 11

12 ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA Ispezione delle flange Braccio telescopico+ robotic arm+ telecamera Il braccio robotico aggancia il TA Il TA viene inserito all interno della TC vicino al supporto Il Ta viene posizionato sul supporto Il soffietto lato beam viene espanso fino a al contatto con la flangia sul corpo del TA + dispositivo di avvitamento I tre FDS sono chiusi in sequenza + dispositivo di avvitamento Le connessioni elettriche vengono ripristinate + sistema interfacci connettori Alla fine del montaggio del TA occorre eseguire i collaudi per verificare la correttezza dell installazione. I collaudi previsti sono: 1) Controllo perfetto posizionamento: tale aspetto è molto importante poiché per massimizzare il flusso neutronico trasferito dal litio ai moduli sotto test la distanza tra il bersaglio e i moduli stessi ( in questo caso quello ad alto flusso) deve essere di 2mm ± 0,3 mm. Si comprende che il posizionamento del target, vuoi per la sua geometria ma anche per gli effetti della temperatura, è considerata una operazione critica[4]. 2) Controllo delle connessioni elettriche e delle diagnostiche; 3) Controllo del tenuta al vuoto del TA; Il tempo di intervento di una settimana per la manutenzione del TA comprende anche l esecuzione di questi controlli e su alcuni dei quali vi sono ancora incertezze sulla fattibilità e durata. 3.4 Procedura per il ricondizionamento del TA La procedura del ricondizionamento del Target prevede il rimpiazzo del solo Bersaglio. Tale procedura è riportata in tab. 2. Tab. 2 Procedura di ricondizionamento del TA precondizioni: BP Removal Beam off completato; Bypass del Li loop attivato Tutte le operazioni di aperture della TC: completate; HFTM and MFTM rimosse dalla TTC ; Un nuovo bersaglio è pronto per l installazione nella camera di accesso della TC Il braccio robotico è connesso con il Braccio master del sistema di manipolazione ; Tutti dispositivi robotici sono disponibili Operazioni Telecamere temporanee vengono installate Dispositivi

13 nella TC Svitare le viti di manovra del sistema a pattino + sistema avvitamento Svitare I bulloni nella parte superiore ed inferiore del bersaglio Avvitare I 4 bulloni sul bersaglio per staccarlo dal telaio Agganciare il bersaglio al braccio robotico Sollevare il bersaglio dalla sua posizione nella camera di accesso Trasportare il bersaglio nella TMHC Installazione Bersaglio + sistema avvitamento + sistema avvitamento Carroponte + Braccio telescopico + braccio robotico Controllare lo stato del telaio sul TA + telecamera Controllare lo stato dell ugello + telecamera Pulizia del telaio di support bersaglio + dispositivo di pulizia Ispezione del telaio di support dopo pulizia + telecamera Il sistema robotico viene connesso al nuovo bersaglio disponibile Il bersaglio viene portato nella TC vicino al telaio di supporto sul TA Il bersaglio viene inserito sul telaio Tutti i bulloni e i pattini vengono avvitati con una sequenza predefinita ( incrementando del 20% la coppia di serraggio fino al valore di coppia nominale) + sistema avvitamento 3.5 Tempi d intervento per la sostituzione del TA I tempi d intervento riportati nei paragrafi successivi sono stati stimati attraverso le simulazioni grafiche delle operazioni di manutenzione. In qualche caso vengono riportati dati che sono riferiti a test di validazione eseguiti su alcuni componenti ed altri ancora sono riferiti a tempi desunti da analoghe operazioni di manutenzione. In tab. 3 sono riportati i tempi d intervento per il caso della sostituzione del TA. 13

14 ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA Tab. 3 Tempi di manutenzione per la sostituzione del TA Operation Time note Posizionamento delle telecamere temporanee 1 h (TBC) Numero d camere ancora da definire Aperture FDS 2 h Operazione mai eseguita prima L operazione di stop è controllata in angolo dal sistema di avviatemnto Manovrare le viti di distacco bersaglio dal telaio 20 min ognuno 1 h Operazione compattamento soffietto lato beam 1,5 h Operazione controlalta in angolo Ispezione visuale Cambio dispostivo 0,5 h Include : rilascio del dispositivo di avvitamento e ritorno nella TC con il nuovo dispositivo Disconnessione dei connettori 0,5 h (TBC) Operazione mai eseguita Connessione Braccio robotico con il TA 0,5 h Studio dell operazione non ancora completata Sollevamento TA dalla TC alla camera di accesso 2 h Include anche il trasporto del TA nella TMHC Pulizia della flange 4 h Include anche il cambio del nastro del dispositivo di pulizia e l ispezione finale. Installazione del TA Ispezione finale del TA 1 g (TBC) Non ancora stimata Operazione mai eseguita. Stima per mezzo di simulazione grafica Tutti I componenti saranno soggetti ad un pre-collaudo prima dell instalalzione. Comunque un certo numero di collaudi andranno fatti al completamento dell installazione e prima dell inizio delle altre operazioni di manutenzione ( instalalzione moduli) Rimozione delle camere temporanea. 1 h (TBC)

15 3.6 Tempi d intervento per il ricondizionamento del TA Operazione Rimozione Bersaglio Tab. 4 tempi d intervento per il ricondizionamento del TA Tempo atteso (h) note Installazione di tele camere rimovibili Svitamento sistema a pattino Svitamento degli 8 bulloni del bersaglio 1 Numero di telecamere non ancora definite. 0,5 Controllo in Angolo 0,75 Il bersaglio viene staccato dal telaio manovrando i quattro bulloni (su fori ciechi) 0,75 A causa del litio che potrebbe penetrare tra il bersaglio ed il telaio si possono verificare fenomeni di incollaggio. Cambio dispositivo 0,5 Includes: release of the tool in the AC and return the arm in the TC Il bersaglio viene agganciato dal manipolatore. Rimuovere il Bersaglio (il bersaglio viene liberato fino a lasciare il telaio di sostegno) Sollevare il Bersaglio dalla Test Cell e spostarlo nel contenitore per il trasferimento nella cella Pulizia del telaio di supporto Ordine di minuti Ordine di minuti Se non ci sono Bloccaggi 1,5 Include also the sealing of the container of the transportation to the TMHC 2,5 Includes: change of the tape belt and final inspection Installazione Bersaglio 2,5-5,5 Questi tempi sono relativi a risultati ottenuti durante le campagne sperimentali condotte in passato su un prototipo del Bersaglio Ispezione e test? Esiste una lista complete di test da eseguire, alcuni dei quali sono molto semplici mentre altri ( vedi Tab.) sono ritenuti critici. Rimozione telecamere 1 Da confermare in funzione del numero di telecamere da usare 15

16 ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA 4. Conclusioni L attuale progetto del TA e le procedure implementate per la sua sostituzione o ricondizionamento consentono di soddisfare le specifiche di IFMIF: IFMIF deve funzionare ininterrottamente per 11 mesi e la durata della manutenzione del TA deve essere completata entro 7 giorni. Restano ancora delle incognite relative a specifiche operazioni, come quella di pulizia del litio depositato sulle superfici, mai testate prima e quindi non ancora validate cosi come alcune delle operazioni di verifica della corretta installazione del TA sono ancora da approfondire e definire. Riferimenti bibliografici [1]- Rapporto preliminare del progetto del target di IFMIF comprensivo di disegni, analisi numeriche e valutazione dei costi-d. Bernardi, M. Frisoni, G. Miccichè, T. Pinna, M.T. Porfiri, M.Serra Abbreviazioni ed acronimi Dpa fpy displacement per atom full power year